刘冬生等pH值调控的核酸纳米舱研究取得进展

2007年2月，英国牛津大学出版社的生物化学和分子生物学类的知名杂志《核酸研究》(Nucleic  Acids  Research)发表了由国家纳米科学中心刘冬生研究员、毛有东博士与中科院化学所、北京大学的合作者共同在核酸纳米机器研究方面取得的新结果——pH值调控的核酸纳米舱研究。

如图所示，pH值调控的核酸纳米舱是由多个核酸功能单元固定在金表面形成，每个核酸功能单元包含一段单链核酸和一个核酸分子马达；相对于金表面，单链部分靠近衬底，马达部分远离衬底；单链部分的一端通过金硫键固定在金表面，处于关闭状态的核酸分子马达部分在单链远离进表面的一端紧密排列形成一层致密的分子膜，由于核酸的四链结构较单链结构能占据更大的空间体积以及更高的负电荷密度，在核酸四链结构形成的分子膜和金表面之间就形成了一个由单链支撑的纳米量级高度的空间，能够容纳一定量的功能小分子；由于核酸四链结构形成的分子膜比较致密，可以阻止处于此空间中的小分子扩散到外部的溶液中去，所以称此空间为核酸分子纳米舱。当改变溶液的pH值使核酸的四链结构破坏时，变成与下部同样松散的单链后，致密的分子膜不再存在，核酸分子纳米舱中储存的小分子可以被释放到溶液中去。由于核酸马达的可循环性，在其基础上的核酸分子纳米舱同样可以实现多次利用。此外，在适当交变电场的作用下，该核酸纳米容器的关闭时间可缩短到几十秒钟。此结果对于进一步利用集体核酸分子协同运动作为生物大分子机械系统构造原理提供了一种较为理想的模型，并为深入利用核酸分子的结构可设计性，相互作用可设计性，以及协同运动的可设计性，提供了富有意义的探索途径。  

该研究得到国家自然科学基金委、科技部、中科院等的大力支持。